基于单片机的室内多功能检测系统系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的室内多功能检测系统系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

此 , 最好能适当开一点窗引进些新鲜空气；三是对过滤器要经常进行清洗 ,既可保证盘管的风量 ,又能及时清除过滤器上的脏物。 (3)选用一些室内空气处理设备配合空调一起使用如去湿机、加湿机、过滤器、负离子发生器等；去湿机、加湿机能保持室内适当的湿度；活性碳高效过滤器 ,能有效过滤室内的 CO CO、 VOC、颗粒物等污染物 ,保持室内具有较好的空气品质；负离子对人体的健康有益。 基于单片机的室内多功能检测系统系统设计 第 页 共 55 页 8 (4)辩证地看待现有空调器的一些附加功能所谓空调器的附加功能 ,如负离子发生器、冷触媒、高效过滤等功能 ,对改善室内 空气品质有一定的作用 ,但所起的作用很有限 ,不能完全依赖；更何况某些附加功能随着时间的推移 ,效果会越来越差 ,有的甚至不起作用，因此，开窗通风换气还是改善室内空气品的重要手段。 (5)合理选择装修材料及装修方式 尽量选择释放 VOC较少的装修材料、胶水、涂料、油漆等 ,并在装修好后 ,开窗换气 , 等室内 VOC 降低至较低程度后再入住；提倡接近自然的装修方式 ,尽量少用各种化学及人工材料，尽量不要过度装修；购置新家具后也应开窗换气 ,向外散发家具中释放的 VOC 等；除此之外，居住者应在排气、通风、种植植物、不在室内抽烟、不使用 喷雾剂和杀虫剂 ,以及经常清洁地毯、环境等方面，注意保护和造就良好的室内空气品质 [7]。 IAQ 标准及室内空气主要污染物 目前，我国最新的室内空气质量标准为 GB/T1888320xx，已于 20xx年 3 月正式开始实施。 标准除了对温度、相对湿度等物理性指标做出规定外，还对室内空气中的化学性、放射性、生物性污染物做出具体限值规定。 (1)物理性污染 室内环境中除要有好的空气质量外，还牵涉对人体舒适性产生重要影响的温度、湿度、通风、光照、清洁度、噪音等； 新标准规定了温度、相对湿度、空气流速以及新风量等指 标，它们对人体的热湿平衡调节起着重要作用，对人体的健康和舒适性影响极大。 (2)化学性污染 进入人类环境的化学污染物约有 9万 6千种，化学污染侵入人体可以通过呼吸道、皮肤、消化道三种途径吸收，其危害性一般是低浓度的长期效应，以及多因素协同综合作用；室内环境主要的化学污染物及限定标准如表。 (3)放射性污染 室内环境中放射性污染主要评价指标为氡气及其子气体，它是世界卫生组 基于单片机的室内多功能检测系统系统设计 第 页 共 55 页 9 织确认的主要环境致癌物之一，其诱发肺癌发病率危险系数仅次于香烟；氡气无色无味，是不可挥发的放射性惰性气体，室内氡的来源主要是从底层土壤中析出， 或是由于通风从户外空气中进入室内，以及从建材中析出；氡的危害是长期累积的，且不易察觉，其诱发肺癌的潜伏期大多在 15 年以上；新标准规定，室内氡浓度小于 400Bq/m3。 (4)生物性污染 指由植物、垃圾、湿霉墙体产生细菌、真菌类孢子花粉，以及人为活动引起的代谢产物等；细菌传播会带来各种传染疾病，新标准规定菌落总数小于2500cft/m3[7]。 表 主要化学污染物来源、危害及标准 主要来源 对人体的主要影响 标准 甲醛 建材、粘合剂 刺激眼睛、呼吸道、致癌物 CO2 人群活动 胸闷、头痛、困倦、免疫力下降 20xxmg/m3 CO 不完全燃烧 血红蛋白降低、缺氧中毒 10mg/m3 NO2 局部空气 急性呼吸道病症 NH3 建筑用防冻剂、水泥草强剂 头痛、疲劳、厌食 O3 汽车尾气、光化学反应 刺激眼睛、哮喘病 TVOC 建材 大多有毒性部分列为致癌物 mg/m3 PM10 交通运输扬尘、大气沙尘 影响肺间经组织、支气管炎 mg/m3 苯 油性涂料、粘结剂 引起皮肤癌、肺癌、胃癌 基于单片机的室内多功能检测系统系统设计 第 页 共 55 页 10 第三章 硬件系统设计 总体设计方案 系统硬件结构及原理 总体结构图如图 ： 图 总体结构图 该仪器以单片机为核心，单片机选用价格便宜的 AT89S52，具有对 CO 浓度、甲烷浓度测量与报警功能。 对温湿度和甲醛的含量的测量及显示功能。 设有人工自动复位和自动上电复位以及硬件看门狗电路。 单片机外接两片 74HC595接口芯片来驱动接报警灯和 LCD1602，键盘、显示、甲醛测量电路直接接到单片机引脚。 通过 键盘可实现设定室内甲烷、 CO 的报警值、显示相应参数等操作。 温湿度测量采用数字化温湿度传感器 DHT11，用 LCD1602液晶实时显示温湿度和甲醛值，并根据相应的操作显示出相应的状态；如：在甲醛超出预警值是出现报警， LCD要显示出相应的甲醛浓度值，并显示提示符“ JiaQuan Alarm。 ”。 传感器的选用 气体传感器 气体传感器基础知识： 按照气敏特性来分，气体传感器主要分为：半导体型、电化学型、固体电解质型、接触燃烧型、光化学型等气体传感器，又以前两种最为普遍。 甲醛传感器 I/V 转换 数字 CO、甲烷传感器 报警输出 数字温湿度传感器 功能键盘 LCD 显示 单片机 基于单片机的室内多功能检测系统系统设计 第 页 共 55 页 11 (1)半导体型 气体传感器的优缺点 半导体气体传感器具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。 不足之处是必须在高温下工作、对气体或气味的选择性差、元件参数分散、稳定性不理想、功率高等方面。 (2)半导体传感器需要加热的原因 半导体传感器是利用一种金属氧化物薄膜制成的阻抗器件，其电阻随着气体含量不同而变化；气体分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器电导率的变化。 为了消除气体分子达到初始状态就必须发生一次氧化反应；传感器内的加热器可以加速氧化过程，这也是为什么有些低端传感器总是不稳定， 其原因就是没有加热或加热电压过低导致温度太低反应不充分； (3)电化学气体传感器的工作原理 电化学气体传感器是通过监测电流来监测气体的浓度，分为不需供电的原电池式以及需要供电的可控电位电解式，目前可以监测许多有毒气体和氧气，后者还能监测血液中的氧浓度；电化学传感器的主要优点是气体的高灵敏度以及良好的选择性；不足之处是有寿命的限制一般为两年； (4)半导体传感器和电化学传感器的区别 半导体传感器因其简单低价已经得到广泛应用，但是又因为它的选择性差和稳定性不理想目前还只是在民用级别使用；而电化学传感器因其良好的 选择性和高灵敏度被广泛应用在几乎所有工业场合； (5)固态电解质气体传感器 顾名思义，固态电解质就是以固体离子导电为电解质的化学电池。 它介于半导体和电化学之间；选择性，灵敏度高于半导体而寿命又长于电化学，所以也得到了很多的应用，不足之处就是响应时间过长； (6)接触燃烧式气体传感器 接触燃烧式气体传感器只能测量可燃气体；又分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式，原理是气敏材料在通电状态下，可燃气体在表面或者在催化剂作用下燃烧，由于燃烧使气敏材料温度升高从而电阻发生变化；后者因为催化剂的关系具有广普特性应用更广。 (7)光学式气体传感器 基于单片机的室内多功能检测系统系统设计 第 页 共 55 页 12 光学式气体传感器主要包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型等等，主要以红外吸收型为主；由于不同气体对红外波吸收程度不同，通过测量红外吸收波长来监测气体；目前因为它的结构关系一般造价颇高；基于本文的实时要求和性价比等方面的原因，本系统选用电化学传感器中的定电位电解式气体传感器 [3]。 气体传感器采样方法选择 气体的采样方法直接影响传感器的响应时间。 目前，气体的采样方式主要有两种 :通过简单扩散法，或是将气体吸入检测器。 简单扩散是利用气体自然向四处传播的特性。 目标气体穿过探头内的 传感器，产生一个正比于气体体积分数的信号。 气体吸入式探头通常用于采样位置接近处理仪器或排气管道；这种技术可以为传感器提供一种速度可控的稳定气流，在气流大小和流速经常变化的情况下，这种方法较值得推荐 [9]。 由于本仪器主要目的是测量日常生活中房屋内气体平均浓度，所以采用的第一种简单扩散法，并且这种方法可以节约成本 CO、甲烷传感器 本课题的 CO、甲烷传感器选用汇诚科技的 MQ2 数字传感器模块；下面将对MQ 系列传感器进行介绍。 MQ 系列气体传感器的工作原理 MQ 系列气体传感器的敏 感材料是活性很高的金属氧化物半导体 ,最常用的如 SnO2。 金属氧化物半导体在空气中被加热到一定温度时，氧原子被吸附在带负电荷的半导体表面，半导体表面的电子会被转移到吸附氧上，氧原子就变成了氧负离子，同时在半导体表面形成一个正的空间电荷层，导致表面势垒升高，从而阻碍电子流动（见图 ）。 在敏感材料内部，自由电子必须穿过金属氧化物半导体微晶粒的结合部位（晶界）才能形成电流。 由氧吸附产生的势垒同样存在于晶界而阻碍电子的自由流动，传感器的电阻即缘于这种势垒。 在工作条件下当传感器遇到还原性气体时，氧负离子因与还 原性气体发生氧化还原反应而导致其表面浓度降低，势垒随之降低（图 和图 ）。 导致传感器的阻值 基于单片机的室内多功能检测系统系统设计 第 页 共 55 页 13 减小 [13]。 图 晶粒间势垒模型（洁净空气） 图 CO 和 SnOx2 上吸附氧之间的反应图解 图 晶粒间势垒模型 (还原性气体出现时） 在给定的工作条件下和适当的气体浓度范围内，传感器的电阻值和还原性气度浓度之间的关系可近似由下式 (321)所表示：  ][ARs C (321) 其中： Rs：传感器电阻 A：常数 [C]:气体浓度 α :Rs 曲线的斜率 基于单片机的室内多功能检测系统系统设计 第 页 共 55 页 14 MQ 气体传感器的特性 (1)氧气分压的影响： 图 所示为大气中氧分压（ PO2）和 MQ 气体传感器在清洁空气中阻值之间的典型关系。 图 氧气分压的典型影响 (2)气敏特性： 根据前述方程，在某一气体浓度范围内（从几十 ppm 至几千 ppm），在工作条件下，传感器的电阻同气体浓度呈对数线性关系。 如图 所示。 传感器对多种还原气体具有敏感性，对指定气体的相对灵敏度， 取决于敏感材料的构成及其工作温度。 如图 典型的敏感特性 实际上，每个传感器的电阻值和相对灵敏度都不完全相同，图 5 中描述的敏感特性为传感器在不同气体浓度下的阻值 (Rs)与待检测气体的一定浓度下的阻值 (R0)的比值与浓度的对数关系。 (3)传感器响应特性： 基于单片机的室内多功能检测系统系统设计 第 页 共 55 页 15 在工作条件下传感器先被放入还原性气体中，其电阻急剧下降，待其稳定后，再将其置入洁净空气中，传感器的电阻经过很短的时间即恢复到它的初始值。 这个过程中传感器典型的动作如图 所示。 传感器的响应速度和恢复速度与传感器型号、材料种类及所测气 体的种类相关。 图 典型的传感器响应恢复 (4)初始动作 ： 如图 所示，当传感器不通电存放后，再在空气中通电，无论是否存在还原性气体，传感器通电后的最初几秒钟，其阻值都会（ Rs）急剧下降，然后逐渐达到一个平稳的水平，即为传感器的初始动作。 初始动作时间的长短取决于传感器储存期间的气氛条件、储存时间长短，并因传感器型号而异，也与通电后传感器周围的氛围有关。 通电后传感器的初始动作会引起报警，因此在设计电路时要予以充分考虑。 图 典型的初始动作 (5)温、湿度影响： MQ 传感器的检测原理是基于气体在传感器表面的化学吸附、反应与脱附。 基于单片机的室内多功能检测系统系统设计 第 页 共 55 页 16 环境温度的变化会改变化学反应速度，从而影响传感器的敏感特性。 此外，水蒸气会吸附在传感器表面，湿度将会引起 Rs 的降低。 如图 所示。 精确使用MQ 传感器时应考虑温、湿度的影响。 如图 典型的温湿度影响 (6)长期稳定性： MQ 系列传感器的长期稳定性典型数据如图 所示。 通常情况下， MQ传感器表现出稳定的经时特性，适用于免维护应用的场合。 图。